基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金及制备与应用制造技术

本发明专利技术属于钛合金材料领域，公开了一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金及其制备方法与应用。所述钛合金各元素的原子百分比为Ti58～70％，Nb9～16％，Cu4～9％，Ni4～9％，Al2～8％，B0.5～3％，其微观组织结构为部分超细晶fcc MTi

Double scale structure titanium alloy based on in situ whisker strengthening and toughening and its preparation and Application

The invention belongs to the field of titanium alloy materials, and discloses a double scale structure titanium alloy based on in situ whisker strengthening and toughening and a preparation method and an application thereof. The atomic percentage of the titanium alloy elements is Ti58 ~ 70%, Nb9 ~ 16%, Cu4 ~ 9%, Ni4 ~ 9%, Al2 ~ 8%, B0.5 ~ 3%, the microstructure of ultrafine grained FCC MTi as part of

【技术实现步骤摘要】
基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金及制备与应用
本专利技术属于钛合金材料领域，具体涉及一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金及制备与应用。
技术介绍
钛合金作为一种先进轻量化金属结构材料，由于具有低密度、高比强度、良好的生物相容性和耐腐蚀性等优异的综合性能，广泛应用于航天、航空、汽车、化工、船舶、医疗、能源等领域。然而，作为一种重要的工程结构材料，现代工业的快速发展对钛合金材料的使用温度及强韧性要求不断提高。因此，设计制备出更高强韧性且工艺简单、生产成本较低的钛合金以满足更苛刻条件下的应用，一直以来都是研究者们追求的目标。国家多个重点工程和重大科技专项的“轻质高强金属结构材料”专题，都与高强韧钛合金密切相关。有效改进钛合金的制备工艺，并精确控制其微观结构(相种类、尺度、形态及其分布)，一直被大多数研究者们视为改善钛合金强韧性的最行之有效的两大途径。目前，常见的高强韧钛合金微观结构主要包括：(1)纳米晶基体+延性β相微米树枝晶的双尺度复合结构；(2)非晶基体+延性β相微米树枝晶的双尺度复合结构；(3)等轴超细晶基体+等轴超细晶第二相的复合结构；(4)超细板条状结构；(5)等轴超细晶基体+微米层片的双尺度结构；(6)纳米晶基体+树枝状微米晶的双尺度结构；(7)超细晶基体+微米晶的双尺度结构；(8)纳米晶基体+微米晶的双尺度结构。然而，这些高强韧钛合金主要通过铸造加后续热处理的工艺制得，制备工艺复杂，成本相对较高。粉末冶金作为一种替代成形技术，具有制备的材料成分均匀、材料利用率高、近净成形等特点，且容易制备超细晶/纳米晶结构的高强韧合金，常用于制备较大尺寸、高强韧、复杂形状的合金零部件。近年来，随着学科的交叉与融合，一系列结合挤压、锻造和轧制等粉末固结工艺的半固态加工工艺应运而生。然而，迄今为止，半固态加工工艺主要集中于铝合金、镁合金等低熔点合金体系。且现有半固态加工工艺中必需的半固态浆料或坯料的制备工序比较复杂，难以制备出高熔点金属合金的半固态浆料，这极大程度上限制了半固态加工工艺技术潜力的发挥，制约了相关该技术合金体系的应用范围，此外，现有半固态加工工艺制备的合金材料微观结构晶粒都非常粗大(通常为几十微米以上)，难以获得超细晶或纳米晶等晶粒细化的微观结构，更不可能制备出双尺度或多尺度结构。根据复合材料理论，晶须和颗粒是其主要的增强体。晶须是指自然形成或者在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小，不含有通常材料中存在的缺陷(晶界、位错、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构使其具有高强度、高模量和高伸长率，主要用作复合材料的增强体(如参考文献1：ActaMaterialia61(2013)3324–3334)。但目前并未有文献公开在双尺度结构钛合金中引入晶须以进一步实现钛合金的强韧化。
技术实现思路
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金。本专利技术的另一目的在于提供上述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供上述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、汽车、船舶、体育器材等领域中的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金，其化学表达式为：Ti-Nb-Cu-Ni-Al-B，各元素的原子百分比为Ti58～70at.％，Nb9～16at.％，Cu4～9at.％，Ni4～9at.％，Al2～8at.％，B0.5～3at.％，以及不可避免的微量杂质；其微观组织结构为部分超细晶fccMTi2呈长条状沿着微米晶bccβ-Ti基体晶界分布，部分超细晶fccMTi2在微米晶bccβ-Ti内以长条状分布，尤其是，超细晶原位TiB晶须分布在晶界的超细晶fccMTi2内部及微米晶bccβ-Ti内部；其中M＝Cu和Ni。所述的长条状超细晶MTi2晶粒宽度为0.3～0.8μm，长宽比在2～10之间；所述微米晶bccβ-Ti基体的晶粒尺寸范围为5.7μm～21μm；所述超细晶原位TiB晶须的长径比在2～25之间。上述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金的制备方法，包括以下制备步骤：(1)混粉：根据设计的合金成分把单质粉末按比例配料后混匀；(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于惰性气氛保护的球磨罐中进行高能球磨，直至形成B元素均匀分布、且具有纳米晶或非晶结构的合金粉末，然后对球磨终态合金粉末进行热物性分析，确定升温过程中合金粉末的低熔点fccMTi2相熔化峰特征温度和高熔点bccβ-Ti熔化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；(3)半固态烧结合金粉末：将步骤(2)的合金粉末装入模具内进行烧结，烧结过程分为三个阶段：①烧结压力条件下，升温至低于低熔点fccMTi2相的熔化峰的开始熔化温度，对合金粉末进行致密化烧结处理，并使B元素均匀分布于各相区内；②继续升温至半固态烧结温度Ts，其中低熔点fccMTi2相熔化峰的开始熔化温度≤Ts≤高熔点bccβ-Ti熔化峰的开始熔化温度，在10～400MPa烧结压力下进行半固态烧结加工处理5～30min，使含B的fcc熔体具有高度密堆的原子结构；③随炉冷却至室温，当冷至600℃时卸掉压力以降低内应力，得到基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金。优选地，步骤(1)所述单质粉末为雾化法或电解法制备的单质粉末；单质粉末中Ti、Nb、Cu、Ni、Al的直径为1～50μm，B粉的颗粒尺寸为1～5μm。优选地，步骤(2)所述高能球磨指在转速为180～320r/s下球磨1～50h，球料比为(7～12):1。优选地，步骤(3)中所述的烧结指粉末挤压、粉末热压、热等静压、粉末轧制、粉末锻造和放电等离子烧结等粉末烧结方法中的任意一种。优选地，步骤(3)中所述的模具为石墨模具，所述的烧结压力为10～100MPa。优选地，步骤(3)中所述的模具为碳化钨模具，所述的烧结压力为50～400MPa。上述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金在航天航空、兵器、汽车、船舶、体育器材等领域中的应用(如齿轮、装甲、高尔夫球头等)。本专利技术所述原位晶须的形成与强韧化的原理为：由于小原子B的添加，在步骤(2)高能球磨制备合金粉末中，获得的B元素均匀分布的合金粉末将具有更加高度密堆的原子结构，从而缩短其纳米晶化或非晶化的球磨时间；在步骤(3)半固态烧结合金粉末的工序中，在第①阶段对合金粉末进行致密化烧结处理后，B元素作为间隙元素均匀分布于fccMTi2和bccβ-Ti相内部，在第②阶段继续升温至半固态烧结温度Ts后，含B元素的低熔点fccMTi2相完全熔化从而形成多组元的合金熔体，由于微量小原子有利于合金熔体形成更加高度密堆的原子结构，从而在第③阶段合金熔体随炉冷却至室温后，B元素在形成原位晶须的同时还有助于细化fccMTi2的晶粒尺寸；与此同时，残留的固相bccβ-Ti一直长大到微米晶。在受力条件下，双尺度结构钛合金中原位生成的细针状TiB晶须可以阻挡位错和剪切带的滑移和运动，从而实现强韧化的效果。本专利技术的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：(1)本专利技术在Ti-Nb-C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金，其化学表达式为：Ti‑Nb‑Cu‑Ni‑Al‑B，各元素的原子百分比为Ti 58～70at.％，Nb 9～16at.％，Cu 4～9at.％，Ni 4～9at.％，Al 2～8at.％，B 0.5～3at.％，以及不可避免的微量杂质；其特征在于：所述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金的微观组织结构为部分超细晶fcc MTi

【技术特征摘要】
1.一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金，其化学表达式为：Ti-Nb-Cu-Ni-Al-B，各元素的原子百分比为Ti58～70at.％，Nb9～16at.％，Cu4～9at.％，Ni4～9at.％，Al2～8at.％，B0.5～3at.％，以及不可避免的微量杂质；其特征在于：所述基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金的微观组织结构为部分超细晶fccMTi2呈长条状沿着微米晶bccβ-Ti基体晶界分布，部分超细晶fccMTi2在微米晶bccβ-Ti内以长条状分布，超细晶原位TiB晶须分布在晶界的超细晶fccMTi2内部及微米晶bccβ-Ti内部，其中M＝Cu和Ni。2.根据权利要求1所述的一种基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金，其特征在于：所述的长条状超细晶MTi2晶粒宽度为0.3～0.8μm，长宽比在2～10之间；所述微米晶bccβ-Ti基体的晶粒尺寸范围为5.7μm～21μm；所述超细晶原位TiB晶须的长径比在2～25之间。3.权利要求1或2所述的基于原位晶须强韧化的双尺度结构钛合金的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：(1)混粉：根据设计的合金成分把单质粉末按比例配料后混匀；(2)高能球磨制备合金粉末：将混合均匀的粉末置于惰性气氛保护的球磨罐中进行高能球磨，直至形成B元素均匀分布、且具有纳米晶或非晶结构的合金粉末，然后对球磨终态合金粉末进行热物性分析，确定升温过程中合金粉末的低熔点fccMTi2相熔化峰特征温度和高熔点bccβ-Ti熔化峰特征温度，包括开始熔化温度、峰值熔化温度和结束熔化温度；(3)半固态烧结合金粉末：将步骤(2)的合金粉末装入模具内进行烧结，烧结过程分为三个阶段：①烧结压力条件下，升温至低于低熔点f...

【专利技术属性】
技术研发人员：李元元，李洛，杨超，王芬，张卫文，罗宗强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44